Que mesure la neuro-imagerie fonctionnelle

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I ntroductIon
A l’heure actuelle, les méthodes de neuro-
imagerie fonctionnelle sont largement utilisées
à travers le monde, tant au niveau clinique que
dans la recherche scientifique. Si le développe-
ment de ces techniques a commencé il y a seule-
ment quelques dizaines d’années, les bases sur
lesquelles elles reposent sont bien plus ancien-
nes. D’un point de vue historique, la première
manière d’explorer le fonctionnement du cer-
veau était de le disséquer en post-mortem et de
réaliser des corrélations anatomocliniques. Grâce
aux avancées technologiques, il est désormais
possible d’étudier in vivo le fonctionnement du
cerveau dans des conditions physiologiques ou
pathologiques.
A la fin du 19
ème
siècle, le physiologiste italien
Angelo Mosso observa fortuitement une rela-
tion entre le débit sanguin cérébral et l’activité
neuronale en étudiant les pulsations cérébrales
chez un traumatisé crânien (1). Lorsque Mosso
demanda au patient d’effectuer une tâche de
calcul mental, il observa une augmentation des
pulsations cérébrales et du débit sanguin. Cette
observation a été la première à suggérer que la
mesure du flux sanguin cérébral pouvait être un
moyen d’évaluer la cognition humaine.
Plus tard à l’Université de Cambridge, Char-
les Roy et Charles Sherrington ont précisé cette
relation entre activité neuronale et flux sanguin
cérébral. Se basant sur des expériences animales,
ils ont suggéré que le cerveau possède un méca-
nisme intrinsèque par lequel le débit sanguin
peut varier localement en fonction des variations
locales de l’activité neuronale (3). Un des plus
extraordinaires exemples de cette relation a été
observé chez Walter K, un marin qui se plaignait
d’entendre un bourdonnement. Le médecin qui
l’examina confirma la présence de ce bruit anor-
mal en plaçant un stéthoscope à l’arrière de la
tête du patient. Walter K. présentait en fait une
O. GO s s e r i e s (1), A. De m e r t z i (1), Q. NO i r h O m m e (1), J. ts h i b A N D A (6), m. bO l y (1), m. Op D e be e c k (2),
r. hu s t i N x (3), p. mA Q u e t (4, 5), e. sA l m O N (4, 5), G. mO O N e N (5), A. lu x e N (4), s. lA u r e y s (1, 4, 5),
x. De ti è G e (2)
RÉSUMÉ : Les techniques d’imagerie fonctionnelle cérébrale
(IFC) étudient in vivo le fonctionnement du cerveau humain
dans des conditions physiologiques ou pathologiques. Elles
permettent d’identifier les réseaux neuronaux impliqués dans
diverses tâches psychomotrices. Cet article décrit trois tech-
niques d’IFC fréquemment utilisées en recherche en neuro-
science et en clinique : l’imagerie par résonance magnétique
fonctionnelle (IRMf), la tomographie par émission de positons
(TEP) et la magnétoencéphalographie (MEG). L’IRM et la TEP
mesurent les changements hémodynamiques régionaux induits
par les variations de l’activité neuronale. Ces deux techniques
possèdent une haute résolution spatiale (quelques millimètres),
mais une résolution temporelle relativement médiocre (quel-
ques secondes à plusieurs minutes). L’électroencéphalogramme
(EEG) et la MEG mesurent l’activité électromagnétique neuro-
nale avec une très haute résolution temporelle (de l’ordre de la
milliseconde), mais avec une résolution spatiale plus faible (de
quelques millimètres à un centimètre). L’intégration de ces dif-
férentes techniques d’IFC permet, en combinant ces différents
aspects (couplage neurovasculaire, activité électromagnétique),
d’étudier le fonctionnement cérébral avec une haute résolution
temporelle et spatiale.
M o t s - clés : Neuro-imagerie fonctionnelle - Imagerie par
résonance magnétique - Tomographie par émission de positons -
Magnétoencéphalographie - Intégration multimodale
F u n c t i o n a l n e u r o i M a g i n g ( F Mri, Pet a n d Meg) :
w h a t d o w e M e a s u r e ?
SUMMARY : Functional cerebral imaging techniques allow
the in vivo study of human cognitive and sensorimotor func-
tions in physiological or pathological conditions. In this paper,
we review the advantages and limitations of functional magne-
tic resonance imaging (fMRI), positron emission tomography
(PET) and magnetoencephalography (MEG). fMRI and PET
measure haemodynamic changes induced by regional changes
in neuronal activity. These techniques have a high spatial reso-
lution (a few millimeters), but a poor temporal resolution (a
few seconds to several minutes). Electroencephalogram (EEG)
and MEG measure the neuronal electrical or magnetic acti-
vity with a high temporal resolution (i.e., milliseconds) albeit
with a poorer spatial resolution (i.e., a few millimeters to one
centimeter). The combination of these different neuroimaging
techniques allows studying different components of the brain’s
activity (e.g., neurovascular coupling, electromagnetic activity)
with both a high temporal and spatial resolution.
K eywords : Functional neuroimaging - Magnetic resonance
imaging - Positron emission tomography - Magnetoencephalo-
graphy - Multimodal integration
QUE MESURE LA NEURO-IMAGERIE
FONCTIONNELLE :
IRMf, TEP & MEG ?
(1) Coma Science Group, Centre de Recherches du
Cyclotron, Université de Liège.
(2) Unité de Magnétoencéphalographie, Hôpital Erasme,
Université Libre de Bruxelles.
(3) Service de Médecine Nucléaire, Centre Hospitalier
Universitaire de Liège.
(4) Centre de Recherches du Cyclotron, Université de
Liège.
(5) Service de Neurologie, Centre Hospitalier Universi-
taire de Liège.
(6) Service de Radiologie, CHU Sart Tilman, Liège.

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large malformation artérioveineuse au niveau
du cortex visuel. Lorsqu’il stimulait son cortex
visuel, par exemple en lisant un journal, l’inten-
sité du bruit augmentait et lorsqu’on diminuait
le niveau de stimulation du cortex visuel, par
exemple dans l’obscurité, le bruit disparaissait
après deux minutes (4). Les recherches récentes
utilisant la tomographie par émission de posi-
tons (TEP) qui permet d’étudier les variations du
débit sanguin cérébral ont fourni une remarqua-
ble confirmation des observations de ces pion-
niers (5, 6).
La résonance magnétique nucléaire (RMN)
fut développée par Félix Bloch et Edward Mills
Purcell qui reçurent le prix Nobel de physique
en 1952. La résonance magnétique a d’abord
été employée en spectroscopie, technique qui
permet d’obtenir des informations sur la compo-
sition chimique des substances. L’idée de créer
des gradients dans le champ magnétique pour
déterminer l’endroit d’origine des ondes électro-
magnétiques émises par les noyaux des atomes a
été attribuée à Paul C. Lauterbur qui reçut le prix
Nobel de physiologie en 2003. Cette informa-
tion spatiale a permis de reconstruire des images
bidimensionnelles rendant possible le développe-
ment de l’IRM. La technique a ensuite été adap-
tée pour mesurer les variations d’oxygénation du
sang, reflet indirect de l’activité neuronale. On
parle alors d’IRM fonctionnelle (IRMf).
Berger (7) est, quant à lui, le premier à avoir
établi un lien entre la variation de l’activité élec-
trique cérébrale et l’état fonctionnel du cerveau.
Grâce au développement d’électrodes de scalp
et de l’EEG, il est devenu possible d’enregistrer
les variations de l’activité électrique neuronale
spontanée physiologique ou pathologique ainsi
que les potentiels électriques évoqués par dif-
férentes tâches psychomotrices. De nombreuses
études ont démontré que la variété et la com-
plexité des différents rythmes enregistrés par
l’EEG sont inversement corrélés à la sévérité du
dysfonctionnement cérébral (8). Par la suite, la
magnéto-encéphalographie (MEG) a été déve-
loppée afin d’étudier les variations non plus de
potentiel électrique mais de champs magnétiques
résultant de l’activité électrique neuronale.
La contribution de ces différentes techniques
d’imagerie fonctionnelle cérébrale (IFC) à la
recherche en neuroscience et à la pratique clini-
que est devenue fondamentale. Non seulement
ces techniques fournissent des images de haute
résolution des structures nerveuses (imagerie
anatomique) permettant la démonstration de
lésions cérébrales, mais elles rendent également
possible l’étude du fonctionnement cérébral
(imagerie fonctionnelle). Par exemple, les tech-
niques d’IFC permettent d’identifier les réseaux
neuronaux impliqués dans diverses tâches psy-
chomotrices et d’investiguer les phénomènes de
plasticité induits par une pathologie neuropsy-
chiatrique donnée.
Dans cet article, nous envisagerons les tech-
niques d’IFC que sont l’IRMf, la TEP et la
MEG. L’EEG, plus classique, ne sera abordé
que pour le comparer à la MEG. Pour chaque
technique envisagée, nous exposerons d’abord
les principes sur lesquels elle s’appuie. Ensuite,
nous décrirons les procédés d’instrumentation et
nous résumerons leurs propriétés en termes de
résolution spatiale et temporelle. Nous discute-
rons enfin de leurs avantages et de leurs limites
et suggérerons que l’utilisation multimodale
est la clé de l’utilisation optimale de ces outils
récents.
Figure 1. Première étude de «neuro-imagerie fonctionnelle». Le «pouls car-
diaque» du cerveau enregistré lors de récit intérieur (réciter silencieusement
un «avé maria»; indiqué par la flèche) (1881) adapté de Posner et Raichle
(1994) (2).
Figure 2. Résolutions temporelle et spatiale des techniques d’imagerie fonc-
tionnelle cérébrale les plus communément utilisées. Adapté de Laureys et al
(2002) (13).

Ne u r O -imaGerie fONctiONNelle
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IrM
P r i n c i P e d e b a s e
L’IRM structurelle a révolutionné les neu-
rosciences cliniques en permettant d’obtenir in
vivo des images anatomiques de très haute réso-
lution améliorant ainsi le diagnostic des lésions
cérébrales ainsi que l’étude des réorganisations
anatomiques qu’elles induisent. L’IRM fonction-
nelle (IRMf) a, quant à elle, été développée pour
étudier le fonctionnement cérébral régional.
Le principe sur lequel se base l’IRMf est que
les neurones impliqués dans une tâche psycho-
motrice augmentent leur niveau d’activité lors
de la réalisation de cette tâche ce qui nécessite
d’accroître l’apport en énergie et en oxygène. La
vascularisation cérébrale répond à cette demande
en augmentant localement le débit sanguin.
C’est le classique couplage neurovasculaire. Les
neurones activés ne consomment toutefois pas la
totalité de l’oxygène apporté à la suite de cette
augmentation locale de perfusion. Ceci, com-
paré à la situation de repos, entraîne une modi-
fication du rapport entre les taux d’hémoglobine
oxygénée (oxyHb) et déoxygénée (déoxyHb)
en défaveur de la déoxyHb. Cette modification
du rapport oxy-/déoxyHb au sein de la région
cérébrale activée est à l’origine de l’effet BOLD
(Blood Oxygenated Level Dependent) qui est le
signal détecté en IRMf. En effet, l’oxyHb et la
déoxyHb se comportant différemment dans un
champ magnétique, la modification de leur rap-
port va induire des inhomogénéités de champ
magnétique qui vont pouvoir être détectées par
IRM. L’acquisition ultrarapide d’images du cer-
veau par IRM permet ainsi d’étudier les varia-
tions du signal BOLD en réponse à une tâche
donnée et d’identifier le réseau neuronal impli-
qué dans cette tâche.
Le signal d’intérêt étudié par IRM au niveau
des tissus est produit en réponse à des impul-
sions d’ondes électromagnétiques générées par
une «bobine» (transmitter coil) qui recouvre
l’entièreté ou une partie du corps («head coil»).
Ces impulsions génèrent des variations spatiales
très brèves (gradients) de la puissance du champ
magnétique généré par l’aimant principal au
sein des tissus, ce qui modifie le niveau d’éner-
gie des noyaux atomiques (moment magnétique
nucléaire). Lorsque la fréquence de l’onde élec-
tromagnétique utilisée permet d’obtenir cette
transition du niveau d’énergie des atomes, les
atomes qui étaient en état de faible énergie pas-
sent en état de haute énergie; c’est le phénomène
de résonance. Lorsque les impulsions s’arrêtent,
les atomes retournent à leur état initial de faible
énergie en émettant eux-mêmes un signal élec-
tromagnétique à une fréquence donnée qui peut
être détectée par des capteurs; c’est le phéno-
mène de relaxation. L’intensité du signal émis
par les atomes est directement proportionnelle à
la quantité d’atomes présents dans le tissu ana-
lysé. Les atomes d’hydrogène ayant un moment
magnétique non nul (c’est-à-dire la grandeur
vectorielle qui permet de mesurer l’intensité
d’une source magnétique) (comparé par exem-
ple au carbone 12 et à l’oxygène 16), c’est la
résonance magnétique de l’hydrogène (proton)
qui est le plus utilisée.
i n s t r u m e n t a t i o n
L’IRM est un appareil constitué d’un aimant
superconducteur permanent d’une puissance
variant de 0,5 Tesla jusqu’à 7 ou 8 Tesla. Cette
technique est considérée comme non invasive
car elle n’utilise pas de radiation ionisante. Le
terme nucléaire fait, en effet, référence aux
noyaux atomiques et non à des phénomènes
de radioactivité. L’acquisition de données IRM
au niveau cérébral nécessite l’utilisation d’une
bobine spéciale («head coil») qui va permettre
d’obtenir les gradients de champs magnétiques.
r é s o l u t i o n s t e m P o r e l l e e t s Pa t i a l e
L’augmentation du flux sanguin au niveau
de la région cérébrale activée suit une cinétique
particulière qui est modélisée par la fonction de
Figure 3. Droite, haut : Photographies du système MEG Elekta-Neuromag
Vectorview 306 installé dans l’Unité MEG de l’Hôpital Erasme (Bruxelles,
Belgique). Gauche : Moitié gauche de la représentation 2D des senseurs
MEG montrant 200 ms de données MEG continues. La flèche indique l’am-
plitude maximale d’une pointe épileptique interictale. Droite, bas : Champs
magnétiques correspondant à l’amplitude maximale de la pointe épileptique
interictale superposés à la représentation du casque des senseurs MEG (vue
gauche). La flèche représente le dipôle de courant équivalent expliquant le
mieux les champs magnétiques correspondants. Imagerie par source magné-
tique : dipôle de courant équivalent co-registré sur l’IRM 3D T1 du patient
pour localiser de manière précise la zone épileptogène

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réponse hémodynamique. En effet, le couplage
neurovasculaire prend cinq à six secondes pour
atteindre son maximum. C’est pourquoi, l’ac-
quisition rapide d’images du cerveau par IRM
permet de suivre l’évolution du signal BOLD
en réponse à une activité psychomotrice donnée.
La séquence IRM utilisée pour l’IRMf s’appelle
«Echo Planar Imaging» (EPI) et permet d’ob-
tenir des images du cerveau complet (volume
cérébral) en quelques secondes, typiquement 2
à 3 secondes. L’IRMf permet donc d’étudier le
fonctionnement neuronal avec une résolution
temporelle de l’ordre de la seconde. La résolu-
tion spatiale de l’IRMf est de l’ordre de quelques
millimètres. Un moyen d’améliorer la puissance
de la technique est d’augmenter l’intensité du
champ magnétique (en passant de 1,5 Tesla à
7 ou 8 Tesla). Des champs magnétiques plus
intenses permettent d’augmenter la résolution
spatiale et d’améliorer la résolution temporelle
en permettant la détection des différentes phases
de la réponse hémodynamique.
tEP
P r i n c i P e d e b a s e
La TEP a été développée pour mesurer dif-
férents aspects de la physiologie des fonc-
tions cérébrales en fonction du type de traceur
radioactif utilisé. Le métabolisme glucidique,
la synthèse des protéines et la distribution des
récepteurs sont des exemples de fonctions étu-
diées par la TEP. Le débit sanguin, le volume
sanguin et la consommation d’oxygène peuvent
également être mesurés par TEP et ce, à nouveau
dans le contexte des variations hémodynamiques
associées à l’activité neuronale (9).
La TEP implique l’administration par injec-
tion intraveineuse d’un traceur radioactif émet-
teur de positons (e+) à courte demi-vie. Dans
les tissus, les positons émis se combinent immé-
diatement avec un électron (e-) et s’annihilent
réciproquement en produisant deux photons γ
à haute énergie émis dans des directions oppo-
sées. La détection de cette paire de photons γ est
à la base de l’imagerie TEP. En effet, le tomo-
graphe est constitué d’un cercle de détecteurs
pouvant détecter ces photons d’annihilation en
coïncidence, ce qui permet d’identifier leur ori-
gine. A partir de ces informations, un algorithme
de reconstruction reconstitue une image de la
répartition du traceur sous la forme d’images 2D
ou 3D. Lors de la traversée du corps, les photons
γ peuvent subir une atténuation liée aux structu-
res traversées (p.e. l’os). Il est donc nécessaire
de réaliser une correction pour tenir compte de
ces paramètres d’atténuation. Cette correction
est effectuée à partir d’images de transmission
obtenues grâce à une source radioactive externe
qui irradie le sujet permettant ainsi de mesurer le
facteur d’atténuation des rayons ionisants.
Le type d’information des images TEP est
fonction du traceur radioactif injecté. L’Oxy-
gène-15, le fluor-18, et le carbone-11 sont les
radio-isotopes les plus utilisés qui peuvent être
intégrés dans diverses molécules organiques
telles que les molécules d’eau, le glucose ou
divers agonistes ou antagonistes de récepteurs
cérébraux.
Pour les études d’activation cérébrale qui
nous intéressent dans cet article, la TEP est
actuellement supplantée par l’IRMf et ce, princi-
palement à cause de son côté invasif (irradiation,
injection intraveineuse) et de sa plus faible réso-
lution temporelle. Pour ce type d’étude, la TEP
utilise de l’eau marquée à l’oxygène-15 et étudie
les variations de la distribution régionale de la
radioactivité induites par le couplage neurovas-
culaire. Dans le domaine des neurosciences, la
TEP reste toutefois une technique d’IFC très
utilisée tant en clinique (cancérologie, épilepsie,
maladies inflammatoires, etc.) qu’en recherche
(étude du métabolisme cérébral, étude de la dis-
tribution des récepteurs, etc.).
i n s t r u m e n t a t i o n
La TEP nécessite de disposer de traceurs
émetteurs de positons, ce qui implique d’avoir
accès à un cyclotron. Le tomographe a l’aspect
d’un scanner ou d’une IRM et est constitué de
plusieurs couronnes ou cylindres de cristaux
sensibles aux photons γ. Il possède également
des sources radioactives (césium, germanium,
etc.) pour réaliser l’image de transmission.
L’évolution récente de la TEP est le couplage
de cette technique d’imagerie fonctionnelle avec
le scanner à rayons X («PET-CT») dans le but
de permettre un repérage anatomique précis des
anomalies métaboliques révélées par la TEP.
Dans ce contexte, l’imagerie de transmission est
réalisée par le scanner. Enfin, la combinaison de
la TEP avec l’IRM est en cours de développe-
ment dans différents centres et représente sans
doute l’avenir de la TEP.
r é s o l u t i o n s s Pa t i a l e e t t e m P o r e l l e
Typiquement, la TEP permet de localiser les
changements dans l’activité cérébrale avec une
précision spatiale de l’ordre de 5 à 10 mm
3
ce
qui représente l’activité de plusieurs milliers de
cellules. La résolution spatiale est donc infé-
rieure à celle que celle de l’IRMf mais reste de

Ne u r O -imaGerie fONctiONNelle
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l’ordre de quelques millimètres. La résolution
temporelle est quant à elle relativement faible
puisqu’il faut une à plusieurs minutes pour obte-
nir une seule image TEP.
MEG
P r i n c i P e d e b a s e
La MEG mesure les variations des champs
magnétiques produits par les courants ioniques
principalement générés par les potentiels post-
synaptiques des cellules pyramidales du cortex
cérébral. Contrairement aux champs électriques
enregistrés par EEG, les champs magnétiques ne
sont pas sensibles aux variations de conductivité,
ni à l’anisotropie ce qui explique qu’ils ne sont
pas altérés par les différentes couches (liquide
céphalo-rachidien, méninges, os, graisse, peau)
qu’ils doivent traverser pour gagner la surface
du crâne. Les relations physiques qui unissent
les champs électriques aux champs magnétiques
sont définies par les équations de Maxwell. La
MEG est principalement sensible aux dipôles
électriques qui sont orientés parallèlement à
la surface du crâne. En effet, seuls ces dipôles
électriques vont pouvoir donner naissance à un
champ magnétique mesurable à l’extérieur de
la tête. Puisque les dendrites des cellules pyra-
midales du cortex sont alignées de manière per-
pendiculaire à la surface du cortex, la MEG sera
principalement sensible aux dipôles électriques
localisés dans le cortex fissural (sillons et scissu-
res corticales) qui représentent 2/3 de la surface
corticale (10).
Le champ magnétique produit par un seul
potentiel postsynaptique étant trop faible pour
être détecté par la MEG, c’est l’activité syn-
chrone de millions de neurones qui est mesu-
rée (9). Les champs magnétiques produits par
l’activité neuronale détectables par la MEG ont
une intensité variant entre 10-12 et 10-15 Tesla,
c’est-à-dire un champ magnétique beaucoup
plus faible que le bruit magnétique environnant
(champ magnétique de la terre, lignes électri-
ques, etc.) (9). Dès lors, en fonction du rapport
signal sur bruit des phénomènes d’intérêt (p.e.
activité oscillatoire, activité paroxystique de
type épileptique, champs magnétiques évoqués),
il peut s’avérer nécessaire de moyenner l’acti-
vité magnétique cérébrale correspondant à des
centaines d’événements d’intérêt (9).
Un des avantages de la MEG est de permettre
la localisation des sources électriques à l’ori-
gine des champs magnétiques. Ceci nécessite
toutefois d’enregistrer de pair données MEG et
données structurelles obtenues par IRM. La com-
binaison de la MEG et de l’IRM s’appelle l’ima-
gerie par source magnétique (ISM, «Magnetic
Source Imaging»). La localisation de sources
responsables du signal MEG enregistré néces-
site de résoudre le problème inverse («inverse
problem») qui consiste de manière simplifiée à
rechercher la cause à partir de ses effets (9). Le
problème inverse est considéré comme un pro-
blème mal posé («ill posed problem») car il n’a
pas de solution unique; ceci est à l’origine de
la complexité des modèles et algorithmes uti-
lisés pour le résoudre (9). L’ISM est de plus en
plus utilisée en clinique pour localiser les foyers
épileptiques (Fig. 3) ou les régions cérébrales
fonctionnellement importantes en vue d’une
chirurgie. Elle est également utilisée en recher-
che pour déterminer la chronométrie d’activa-
tion des réseaux neuronaux impliqués dans des
tâches diverses psychomotrices.
i n s t r u m e n t a t i o n
Pour détecter des champs magnétiques de l’or-
dre du femto Tesla, la MEG utilise des senseurs
de type SQUID (Superconducting Quantum
Interference Device) qui possèdent des proprié-
tés superconductives (résistance électrique égale
à 0) lorsqu’ils sont maintenus à une température
de l’ordre de -269 C° (9). Ceci nécessite que les
SQUIDs soient plongés de manière constante
dans l’hélium liquide pour garder leurs proprié-
tés superconductives (9). Un très grand nombre
de SQUIDs (de 100 à 306 senseurs) sont dis-
posés autour de la tête dans un casque faisant
partie intégrante du réservoir d’hélium (Fig.
3). Contrairement à l’EEG, les senseurs de la
MEG ne sont donc pas collés sur le scalp des
sujets. Puisque les champs magnétiques produits
par l’activité cérébrale sont beaucoup plus fai-
bles que le bruit magnétique environnant, il est
nécessaire d’utiliser des systèmes d’atténuation
du bruit. Un des systèmes les plus efficaces est
de réaliser les enregistrements MEG dans une
chambre blindée contre les champs électroma-
gnétiques («Magnetic Shielded Room», Fig. 3)
(9). D’autres techniques telles que certains types
de designs de SQUID, des mécanismes de com-
pensation actifs ou des algorithmes mathémati-
ques peuvent également être utilisées (9).
r é s o l u t i o n s s Pa t i a l e e t t e m P o r e l l e
La MEG est caractérisée par une excellente
résolution temporelle qui est de l’ordre de la
milliseconde. Cette résolution temporelle per-
met d’étudier avec une très grande précision la
chronométrie du fonctionnement cérébral. La
résolution spatiale de la MEG dépend des tech-